Hipoteza śmierci cieplnej wszechświata. Śmierć cieplna wszechświata: założenie czy nieuchronność? Obalanie teorii śmierci termicznej Wszechświata

„Spójrz - promienie słońca nie mogą się przebić przez szare niebo
i wszystkie twoje myśli, modlitwy o pomoc...
Ścieżki są przemierzane, nie mamy dokąd uciekać. I ostrożnie, dotykając gwiazd palcem,
Rozumiem ... ale nieuchronnie jest za późno ... ”

Angielski fizyk William Thomson (Lord Kelvin), jeden z twórców termodynamiki w 1852 wysunął hipotezę o termicznej śmierci wszechświata.

Śmierć cieplna to termin w termodynamice, który opisuje stan końcowy dowolnego zamkniętego układu termodynamicznego, kiedy wszystkie rodzaje energii są przekształcane w energię cieplną. W tym przypadku entropia termodynamiczna układu jest maksymalna.

Następnie „Śmierć cieplna wszechświata” jest to stan Wszechświata, w którym wszystkie znajdujące się w nim rodzaje energii zamieniane są na energię ruchu termicznego, która jest równomiernie rozłożona w całym Wszechświecie. Potem wszystkie procesy termodynamiczne we Wszechświecie powinny się zatrzymać.

Thomson uważał, że materialny Wszechświat, czyli gwiazdy, planety i inne ciała niebieskie, jest pojedynczym, zamkniętym, izolowanym układem. W końcu nie ma innego Wszechświata tego samego rodzaju. A jeśli tak, to druga zasada termodynamiki ma pełne zastosowanie do całego kosmosu i dlatego w końcu nasz różnorodny i wesoły świat czeka na tępą „śmierć cieplną”…

W 1865 r. słynny fizyk R. Clausius, w oparciu o drugą zasadę termodynamiki, wyciągnął teoretyczny wniosek o termicznej śmierci Wszechświata. Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, każdy zamknięty układ fizyczny, czyli niewymieniający się energią z innymi układami, dąży do najbardziej prawdopodobnego stanu równowagi, tj. do stanu równowagi termicznej, który odpowiada maksymalnej entropii.

Rudolph Clausius twierdził, że chociaż energia pewnego układu pozostaje stała (pierwsza zasada termodynamiki), z czasem traci on zdolność do transformacji, a tym samym zdolność do wykonywania pracy. Oznacza to, że każdy układ termodynamiczny „degraduje” z czasem, następuje „śmierć cieplna”.

Zgodził się z wnioskiem Thomsona i napisał: „... entropia Wszechświata dąży do pewnego maksimum. Im bardziej Wszechświat zbliża się do tego stanu granicznego,… tym bardziej zanikają przyczyny dalszych zmian, a gdyby ten stan w końcu został osiągnięty, to nie następowałyby dalsze zmiany, a Wszechświat byłby w jakimś martwym stanie bezwładności” .. .

Teoria „śmierci cieplnej” była w konflikcie z wiecznym wszechświatem Newtona. Rzeczywiście, jeśli uznamy Wszechświat za izolowany układ termodynamiczny, to biorąc pod uwagę jego nieskończony wiek, na podstawie prawa rosnącej entropii możemy stwierdzić, że osiągnął już maksymalną entropię, czyli stan równowaga termodynamiczna. Ale we Wszechświecie, który naprawdę nas otacza, nie obserwuje się tego.

Podjęto próbę uniknięcia wskazanej sprzeczności hipotezy śmierci termicznej Wszechświata Boltzmanna, który zasugerował, że w układzie i stanie równowagi termodynamicznej można zaobserwować niewielkie zmiany - wahania parametrów termodynamicznych (temperatura, ciśnienie, objętość).

Wszechświat jest już martwy z energetycznego punktu widzenia, ale niektóre jego regiony podlegają fluktuacjom.

A nasza część nieskończonego Wszechświata, cała przestrzeń, do której sięga wzrok człowieka, jest w reżimie ogromnej, tłumiącej teraz fluktuacji. A jeśli przyjmiemy, że obserwowany Wszechświat jest konsekwencją takich wahań, to sprzeczności paradoksu śmierci termicznej Wszechświata znikają.

W 1909 roku słynny Szwedzki naukowiec Svante August Arrhenius, zajmujący się formowaniem i ewolucją ciał niebieskich.

Arrhenius napisał: „Gdyby Clausius miał rację, to ta„ śmierć ciepła ”na nieskończenie długi czas istnienia świata już by nadeszła, co jednak się nie stało. Albo trzeba przyznać, że świat nie istnieje w nieskończoność i że miał swój początek; jest to jednak sprzeczne z pierwszą częścią stanowiska Clausiusa, który ustala, że ​​energia świata jest stała, ponieważ wówczas należałoby założyć, że cała energia powstała w momencie stworzenia.”

W XX wieku Ogólna teoria względności A. Einsteina rozwiązał wiele sprzeczności, które istniały w fizyce klasycznej.

Jednak nawet w naszych czasach w nauce nie ma zgody co do budowy Wszechświata i jego pochodzenia. Pomimo współczesna kosmologia jednoznacznie ustaliłaże Wszechświat, którego wiek określa się na 13,72 miliarda lat, nie jest stacjonarny.

Wśród naukowców nie słabną spory o przyszłość Wszechświata, o jego „nieskończoną ekspansję”, o istnienie „ukrytej materii”, duża ilość które mogą obalić współczesne wyobrażenia o właściwościach wszechświata.

A pojęcie „termicznej śmierci Wszechświata” było pierwszym krokiem w kierunku uświadomienia sobie możliwej skończoności istnienia Wszechświata, choć nie wiadomo, kiedy i według jakiego scenariusza jego śmierć jest możliwa.

(JEŚLI KTOŚ Z CZYTELNIKÓW JEST ZAINTERESOWANY TYM TEKSTEM, A TABLIC I WZORÓW NIE WYSTARCZY - NAPISZ DO MNIE - PRZEŚLEJĘ PRACĘ W CAŁOŚCI Z PRZYPISAMI, RYSUNKAMI I TABLICAMI)
Wstęp
Śmierć termiczna Wszechświata (TSV) to wniosek, że wszystkie rodzaje energii we Wszechświecie powinny ostatecznie zostać zamienione na energię ruchu termicznego, która zostanie równomiernie rozłożona na materię Wszechświata, po czym wszystkie procesy makroskopowe ustaną w to.
Wniosek ten sformułował R. Clausius (1865) na podstawie drugiej zasady termodynamiki. Zgodnie z drugim prawem każdy układ fizyczny, który nie wymienia energii z innymi układami (dla Wszechświata jako całości taka wymiana jest oczywiście wykluczona) dąży do najbardziej prawdopodobnego stanu równowagi – do tzw. stanu o maksymalnej entropii .
Taki stan odpowiadałby T.S.V. Jeszcze przed stworzeniem nowoczesnej kosmologii podejmowano liczne próby obalenia wniosku o T.S.V. Najbardziej znaną z nich jest hipoteza o fluktuacjach L. Boltzmanna (1872), zgodnie z którą Wszechświat odwiecznie znajdował się w stanie izotermicznym równowagi, ale zgodnie z prawem przypadku odchylenia od tego stanu zdarzają się czasem w tym czy innym miejscu ; występują rzadziej, im większy obszar zajmują i tym większy stopień odchylenia.
Współczesna kosmologia ustaliła, że ​​nie tylko wniosek dotyczący TSV jest błędny, ale także wczesne próby jego obalenia są błędne. Wynika to z faktu, że nie wzięto pod uwagę istotnych czynników fizycznych, a przede wszystkim grawitacji. Biorąc pod uwagę grawitację, równomierny izotermiczny rozkład materii wcale nie jest najbardziej prawdopodobny i nie odpowiada maksymalnej entropii.
Obserwacje pokazują, że Wszechświat jest mocno niestacjonarny. Rozszerza się, a substancja, która na początku ekspansji jest prawie jednorodna, następnie rozpada się na poszczególne obiekty pod działaniem sił grawitacyjnych, tworząc gromady galaktyk, galaktyk, gwiazd, planet. Wszystkie te procesy są naturalne, zachodzą ze wzrostem entropii i nie wymagają naruszenia praw termodynamiki. Nawet w przyszłości, biorąc pod uwagę grawitację, nie doprowadzą one do jednorodnego stanu izotermicznego Wszechświata - do T.S.V. Wszechświat jest zawsze niestatyczny i nieustannie ewoluuje.
Paradoks termodynamiczny w kosmologii, sformułowany w drugiej połowie XIX wieku, od tego czasu nieustannie ekscytuje społeczność naukową. Faktem jest, że dotknął najgłębszych struktur naukowego obrazu świata. Chociaż liczne próby rozwiązania tego paradoksu zawsze kończyły się tylko częściowymi sukcesami, to dawały początek nowym, nietrywialnym fizycznym pomysłom, modelom, teoriom. Paradoks termodynamiczny jest niewyczerpanym źródłem nowej wiedzy naukowej. Jednocześnie jej kształtowanie się w nauce okazało się uwikłane w wiele uprzedzeń i całkowicie błędnych interpretacji.
Potrzebne jest nowe spojrzenie na ten pozornie dość dobrze zbadany problem, który w późnej nauce klasycznej nabiera niekonwencjonalnego znaczenia.
1. Idea śmierci termicznej Wszechświata
1.1 Pojawienie się idei T.S.V.
Groźba śmierci termicznej Wszechświata, jak powiedzieliśmy wcześniej, została wyrażona w połowie XIX wieku. Thomsona i Clausiusa, kiedy sformułowano prawo rosnącej entropii w procesach nieodwracalnych. Śmierć termiczna to stan materii i energii we Wszechświecie, w którym zanikają gradienty parametrów, które je charakteryzują.”
Rozwój zasady nieodwracalności, zasady zwiększania entropii polegał na rozszerzeniu tej zasady na Wszechświat jako całość, czego dokonał Clausius.
Czyli zgodnie z drugim prawem wszystkie procesy fizyczne przebiegają w kierunku przepływu ciepła z ciał gorętszych do mniej gorących, co oznacza, że ​​proces wyrównywania temperatury we Wszechświecie postępuje powoli, ale pewnie. W konsekwencji w przyszłości można spodziewać się zaniku różnic temperatur i przemiany całej energii świata w energię cieplną, równomiernie rozłożoną we Wszechświecie. Konkluzja Clausiusa była następująca:
1. Energia świata jest stała
2. Entropia świata dąży do maksimum.
Zatem śmierć termiczna Wszechświata oznacza całkowite ustanie wszystkich procesów fizycznych na skutek przejścia Wszechświata do stanu równowagi z maksymalną entropią.
Boltzmann, który odkrył zależność między entropią S a wagą statystyczną P, uważał, że obecny niejednorodny stan Wszechświata jest ogromną fluktuacją*, choć prawdopodobieństwo jego wystąpienia jest znikome. Współcześni Boltzmannowi nie uznawali jego poglądów, co doprowadziło do ostrej krytyki jego pracy i najwyraźniej doprowadziło do choroby i samobójstwa Boltzmanna w 1906 roku.
Wracając do pierwotnych sformułowań idei śmierci termicznej Wszechświata, widzimy, że dalekie są one od ich zgodności z ich dobrze znanymi interpretacjami, przez pryzmat, przez który te sformułowania są zwykle przez nas postrzegane. Zwyczajowo mówi się o teorii śmierci cieplnej lub paradoksie termodynamicznym W. Thomsona i R. Clausiusa.
Ale, po pierwsze, odpowiadające myśli tych autorów bynajmniej nie pokrywają się we wszystkim, a po drugie, poniższe stwierdzenia nie zawierają ani teorii, ani paradoksu.
W. Thomson, analizując ogólną tendencję do rozpraszania energii mechanicznej, przejawiającą się w przyrodzie, nie rozciągał jej na cały świat. Ekstrapolował zasadę zwiększania entropii tylko na procesy wielkoskalowe zachodzące w przyrodzie.
Wręcz przeciwnie, Clausius zaproponował ekstrapolację tej zasady na Wszechświat jako całość, który służył mu jako wszechobejmujący system fizyczny. Według Clausiusa „ogólny stan Wszechświata powinien się coraz bardziej zmieniać” w kierunku wyznaczonym przez zasadę rosnącej entropii, a zatem stan ten powinien stale zbliżać się do pewnego granicznego stanu Wahań i problemu fizycznych granic II zasada termodynamiki. Być może po raz pierwszy aspekt termodynamiczny w kosmologii został wyznaczony przez Newtona. To on zauważył efekt "tarcia" w mechanizmie zegarowym Wszechświata - trend, który w połowie XIX wieku. zwany wzrostem entropii. W duchu swoich czasów Newton wzywał pomocy Pana Boga. Został wyznaczony przez Sir Isaaca do nadzorowania nakręcania i naprawy tych „zegarków”.
W ramach kosmologii paradoks termodynamiczny został zrealizowany w połowie XIX wieku. Dyskusja na temat paradoksu zrodziła szereg błyskotliwych pomysłów o szerokim znaczeniu naukowym (wytłumaczenie „Schrödingera” L. Boltzmanna o „antyentropijnej” naturze życia; jego wprowadzenie do termodynamiki fluktuacji, których fundamentalne konsekwencje w fizyce nie zostały dotychczas wyczerpane, jego wspaniała hipoteza o fluktuacjach kosmologicznych, wykraczająca poza ramy pojęciowe, których fizyka w zagadnieniu „śmierci cieplnej” Wszechświata jeszcze się nie wyłoniła; głęboka i innowacyjna, ale jednak historycznie ograniczona interpretacja fluktuacji drugiej zasady .
1.2 Spojrzenie na T.S.V. z XX wieku
Obecny stan nauki również nie zgadza się z założeniem śmierci termicznej wszechświata.
Przede wszystkim wniosek ten dotyczy systemu izolowanego i nie jest jasne, dlaczego Wszechświat można przypisać takim systemom.
We Wszechświecie istnieje pole grawitacyjne, którego Boltzmann nie wziął pod uwagę i które jest odpowiedzialne za pojawianie się gwiazd i galaktyk: siły grawitacji mogą prowadzić do powstania struktury z chaosu, mogą dać początek Gwiazdom z Kosmiczny pył.
Ciekawy jest dalszy rozwój termodynamiki, a wraz z nim idea TSV.W XIX wieku sformułowano główne założenia (początki) termodynamiki układów izolowanych. W pierwszej połowie XX wieku termodynamika rozwijała się głównie nie w głąb, ale wszerz, powstały różne jej gałęzie: termodynamika techniczna, chemiczna, fizyczna, biologiczna itp. Dopiero w latach czterdziestych pojawiły się prace nad termodynamiką układów otwartych w pobliżu punktu równowagi, a w latach osiemdziesiątych powstała synergetyka. Te ostatnie można interpretować jako termodynamikę układów otwartych oddalonych od punktu równowagi.
Tak więc współczesne nauki przyrodnicze odrzucają koncepcję „śmierci cieplnej” w odniesieniu do Wszechświata jako całości. Faktem jest, że Clausius w swoim rozumowaniu uciekł się do następujących ekstrapolacji:
1. Wszechświat uważany jest za system zamknięty.
2. Ewolucję świata można opisać jako zmianę jego stanów.
Dla świata jako całego stanu o maksymalnej entropii ma to sens, jak dla każdego skończonego układu.
Ale sama słuszność tych ekstrapolacji jest wysoce wątpliwa, chociaż problemy z nimi związane są również trudne dla współczesnych nauk fizycznych.
2. Prawo rosnącej entropii
2.1 Wyprowadzenie prawa rosnącej entropii
Zastosujmy nierówność Clausiusa do opisu nieodwracalnego kołowego procesu termodynamicznego pokazanego na rys. 1.
Ryż. 1.
Nieodwracalny okrągły proces termodynamiczny
Niech proces będzie nieodwracalny, a proces odwracalny. Wtedy nierówność Clausiusa dla tego przypadku przyjmuje postać (1)
Ponieważ proces jest odwracalny, można użyć relacji, która daje
Podstawienie tego wzoru na nierówność (1) pozwala uzyskać wyrażenie (2)
Porównanie wyrażeń (1) i (2) pozwala zapisać następującą nierówność (3), w której znak równości występuje, jeśli proces jest odwracalny, a znak jest większy, jeśli proces jest nieodwracalny.
Nierówność (3) można również zapisać w postaci różniczkowej (4)
Jeśli weźmiemy pod uwagę adiabatycznie izolowany układ termodynamiczny, dla którego, to wyrażenie (4) przyjmuje postać lub w postaci integralnej.
Powstałe nierówności wyrażają prawo rosnącej entropii, które można sformułować w następujący sposób:
2.2 Możliwość entropii we Wszechświecie
W adiabatycznie izolowanym układzie termodynamicznym entropia nie może się zmniejszyć: albo utrzymuje się, jeśli w układzie zachodzą tylko procesy odwracalne, albo wzrasta, jeśli w układzie zachodzi przynajmniej jeden nieodwracalny proces.
Stwierdzenie pisemne jest kolejnym sformułowaniem drugiej zasady termodynamiki.
Zatem izolowany układ termodynamiczny dąży do maksymalnej wartości entropii, przy której zachodzi stan równowagi termodynamicznej.
Należy zauważyć, że jeśli system nie jest izolowany, możliwy jest w nim spadek entropii. Przykładem takiego systemu jest na przykład zwykła lodówka, wewnątrz której możliwy jest spadek entropii. Jednak dla takich systemów otwartych ten lokalny spadek entropii jest zawsze kompensowany wzrostem entropii w środowisku, który przekracza jego lokalny spadek.
Prawo rosnącej entropii jest bezpośrednio związane z paradoksem sformułowanym w 1852 roku przez Thomsona (Lord Kelvin) i nazwanym przez niego hipotezą termicznej śmierci Wszechświata. Szczegółową analizę tej hipotezy przeprowadził Clausius, który uznał za zasadne rozszerzenie prawa rosnącej entropii na cały Wszechświat. Rzeczywiście, jeśli uznamy Wszechświat za adiabatycznie izolowany układ termodynamiczny, to biorąc pod uwagę jego nieskończony wiek, na podstawie prawa rosnącej entropii możemy wnioskować, że osiągnął on maksymalną entropię, czyli stan równowaga termodynamiczna. Ale we Wszechświecie, który naprawdę nas otacza, nie obserwuje się tego.
3. Śmierć termiczna Wszechświata w naukowym obrazie Świata
3.1 Paradoks termodynamiczny
Paradoks termodynamiczny w kosmologii, sformułowany w drugiej połowie XIX wieku, od tego czasu nieustannie ekscytuje społeczność naukową. Faktem jest, że dotknął najgłębszych struktur naukowego obrazu świata.
Chociaż liczne próby rozwiązania tego paradoksu zawsze kończyły się tylko częściowymi sukcesami, to dawały początek nowym, nietrywialnym fizycznym pomysłom, modelom, teoriom. Paradoks termodynamiczny jest niewyczerpanym źródłem nowej wiedzy naukowej. Jednocześnie jej kształtowanie się w nauce okazało się uwikłane w wiele uprzedzeń i całkowicie błędnych interpretacji. Potrzebne jest nowe spojrzenie na ten pozornie dość dobrze zbadany problem, który nabiera niekonwencjonalnego znaczenia w post-nieklasycznej nauce.
Nauka postnieklasyczna, przede wszystkim teoria samoorganizacji, rozwiązuje problem kierunku procesów termodynamicznych w przyrodzie w sposób znacząco odmienny niż nauki klasyczne czy nieklasyczne; znajduje to wyraz we współczesnym naukowym obrazie świata (NKM).
Jak faktycznie paradoks termodynamiczny pojawił się w kosmologii? Łatwo zauważyć, że faktycznie sformułowali go przeciwnicy Thomsona i Clausiusa, którzy dostrzegli sprzeczność między ideą śmierci cieplnej Wszechświata a podstawowymi zasadami materializmu o nieskończoności świata w przestrzeni i czasie . Sformułowania paradoksu termodynamicznego, które znajdujemy u różnych autorów, są niezwykle podobne, niemal całkowicie pokrywają się. „Gdyby teoria entropii była poprawna, to„ koniec ”świata musiałby odpowiadać„ początku ”, minimum entropii”, kiedy różnica temperatur między poszczególnymi częściami Wszechświata byłaby największa.
Jaka jest epistemologiczna natura rozważanego paradoksu? Wszyscy cytowani autorzy przypisują mu bowiem charakter filozoficzny i światopoglądowy. Ale w rzeczywistości mylone są tutaj dwa poziomy wiedzy, które z naszego nowoczesnego punktu widzenia należy rozróżnić. Punktem wyjścia było jednak pojawienie się paradoksu termodynamicznego na poziomie NKM, w którym Clausius dokonał ekstrapolacji wzrostu zasady entropii na Wszechświat. Paradoks działał jako sprzeczność między zakończeniem Clausiusa a zasadą nieskończoności świata w czasie, zgodnie z kosmologią Newtona. Na tym samym poziomie wiedzy powstały inne paradoksy kosmologiczne – fotometryczne i grawitacyjne, a ich epistemologiczny charakter był bardzo podobny.
„W rzeczywistości śmierć termiczna Wszechświata, nawet gdyby nastąpiła w jakiejś odległej przyszłości, nawet po miliardach lub dziesiątkach miliardów lat, nadal ogranicza„ skalę czasową „ postępu ludzkości”.
3.2 Paradoks termodynamiczny w relatywistycznych modelach kosmologicznych
Nowy etap w analizie paradoksu termodynamicznego w kosmologii wiąże się z nauką nieklasyczną. Obejmuje lata 30. - 60. XX wieku. Jego najbardziej specyficzną cechą jest przejście do rozwoju termodynamiki Wszechświata w ramach pojęciowych AA. Friedmana. Omówiono zarówno zmodernizowane wersje zasady Clausiusa, jak i nowy model Tolmana, w którym możliwa jest nieodwracalna ewolucja Wszechświata bez osiągnięcia maksymalnej entropii. Model Tolmana ostatecznie zdobył przewagę w uznaniu środowiska naukowego, choć nie daje odpowiedzi na niektóre „trudne” pytania. Równolegle jednak opracowano również quasi-klasyczne „podejście antyentropijne”, którego jedynym celem było obalenie zasady Clausiusa za wszelką cenę, a początkową abstrakcją był obraz nieskończonego i „wiecznie młodego”, jak Ciołkowski to ujął, o Wszechświecie. W oparciu o to podejście opracowano szereg niejako „hybrydowych” schematów i modeli, które charakteryzowały się raczej sztucznym połączeniem nie tylko starych i nowych pomysłów z zakresu termodynamiki Wszechświata, ale także podstawy nauki klasycznej i nieklasycznej.
„W latach 30. i 40. idea śmierci termicznej Wszechświata nadal cieszyła się największym wpływem wśród zwolenników kosmologii relatywistycznej. Na przykład A. Eddington i J. Jeans, którzy wielokrotnie mówili zarówno o fizycznym znaczeniu tego problemu, jak i o jego „ludzkim wymiarze”, byli zagorzałymi zwolennikami zasady Clausiusa. Konkluzja Clausiusa została przez nich przełożona na nieklasyczny obraz świata i pod pewnymi względami do niego dostosowany”.
Przede wszystkim zmienił się przedmiot ekstrapolacji – Wszechświat jako całość.
W latach 50. prawie zapomniana dyskusja na temat problemów termodynamiki Wszechświata pomiędzy K.P. Stanukowycza i I.R. Plotkin. Obaj biorą pod uwagę statystyczno-termodynamiczne właściwości modelu Wszechświata, podobnego do Wszechświata Boltzmanna, tj. pokrywają się w stosunku do badanego obiektu. Ponadto obaj uważali, że problemy termodynamiki Wszechświata można analizować niezależnie od ogólnej teorii względności, która nie wniosła nowej treści do prawa rosnącej entropii.
Ale wraz z nakreślonymi próbami „przezwyciężenia” hipotezy Boltzmanna opracowano również zmodernizowane wersje tej hipotezy. Najsłynniejszy z nich należy do Ya.P. Terleckiego.
Schematy hybrydowe ”i modele rozwiązywania paradoksu termodynamicznego w kosmologii wzbudziły dość duże zainteresowanie w latach 50. - 60., głównie w naszym kraju. Były one omawiane na jednej z konferencji dotyczących kosmogonii (Moskwa, 1957), na sympozjach filozoficznych dotyczących teorii względności Einsteina i kosmologii relatywistycznej (Kijów, 1964, 1966) itp., ale później coraz częściej pojawiały się odniesienia do nich. rzadki. Stało się to w niemałej mierze dzięki przesunięciom w rozwiązywaniu tego kręgu problemów dokonanym przez kosmologię relatywistyczną i termodynamikę nieliniową.
3.3 Paradoks termodynamiczny w kosmologii i postnieklasyczny obraz świata
Rozwój problemu termodynamiki Wszechświata zaczął nabierać jakościowo nowych cech w latach 80-tych. Wraz z badaniem Wszechświata w ramach podstaw nieklasycznych, rozwijane jest obecnie podejście w tym obszarze, które odpowiada cechom nauki „post-nieklasycznej”.
Na przykład synergetyka, w szczególności teoria struktur dyssypatywnych, pozwala głębiej niż w nieklasycznej nauce zrozumieć specyfikę naszego Wszechświata jako samoorganizującego się, samorozwijającego się systemu.
Nauka postnieklasyczna umożliwia wprowadzenie szeregu nowych aspektów do analizy problemów termodynamiki Wszechświata jako całości. Ale to pytanie było dotychczas omawiane tylko w najogólniejszych terminach. Nauka postnieklasyczna umożliwia wprowadzenie szeregu nowych aspektów do analizy problemów termodynamiki Wszechświata jako całości. Ale to pytanie było dotychczas omawiane tylko w najogólniejszych terminach.
I. Prigogine wyraził główny cel podejścia opartego na statystycznej teorii procesów nierównowagowych: „...oddalamy się od Wszechświata zamkniętego, w którym wszystko jest ustawione, do Wszechświata nowego, otwartego na fluktuacje, zdolnego dać narodziny czegoś nowego”. Spróbujmy zrozumieć to stwierdzenie w kontekście analizy tych kosmologicznych alternatyw, które przedstawił M.P. Bronstein.
1. Teoria I. Prigogine'a w połączeniu ze współczesnym rozwojem kosmologii jest najwyraźniej zgodna z rozumieniem Wszechświata jako termodynamicznie otwartego układu nierównowagi, który powstał w wyniku gigantycznej fluktuacji fizycznej próżni. Zatem pod tym względem nauka post-nieklasyczna odchodzi od tradycyjnego punktu widzenia, podzielanego przez M.P. Bronstein. Ponadto, analizując zachowanie Wszechświata jako całości we współczesnej nauce, należy najwyraźniej odrzucić to, co Prigogine nazwał „mitem przewodnim nauki klasycznej” – zasadę „nieograniczonej przewidywalności” przyszłości. W przypadku nieliniowych struktur rozpraszających wynika to z konieczności uwzględnienia „ograniczeń” spowodowanych naszym działaniem na przyrodę”.
Nasza wiedza o termodynamice Wszechświata jako całości, oparta na ekstrapolacji statystycznej teorii układów nierównowagowych, również nie może pomijać bezpośredniego lub pośredniego rozważenia roli obserwatora.
2. I. Teoria Prigogine'a w zupełnie nowy sposób stawia problem praw i warunków początkowych w kosmologii, usuwa sprzeczności między dynamiką a termodynamiką. Z punktu widzenia tej teorii okazuje się, że Wszechświat, jako M.P. Bronstein może przestrzegać praw, które są asymetryczne w stosunku do przeszłości i przyszłości - co nie jest bynajmniej sprzeczne z fundamentalną naturą zasady rosnącej entropii, jej kosmologicznej ekstrapolacji.
3. Teoria Prigogine'a - w dobrej zgodzie ze współczesną kosmologią - ponownie ocenia rolę i prawdopodobieństwo fluktuacji makroskopowych we Wszechświecie, chociaż dotychczasowy mechanizm tych fluktuacji ze współczesnego punktu widzenia różni się od mechanizmu Boltzmanna. Wahania przestają być czymś wyjątkowym, stają się całkowicie obiektywnym przejawem spontanicznego pojawiania się nowej rzeczy we Wszechświecie.
Tak więc teoria Prigogine'a pozwala dość łatwo odpowiedzieć na pytanie, które od prawie półtora wieku dzieli środowisko naukowe i zajmuje K.E. Ciołkowski: dlaczego - wbrew zasadzie Clausiusa - wszędzie we Wszechświecie obserwujemy nie procesy degradacji monotonicznej, ale wręcz przeciwnie, procesy formowania, pojawiania się nowych struktur. Przejście od „fizyki istniejącego” do „fizyki powstawania” nastąpiło w dużej mierze dzięki syntezie idei, które w dotychczasowych ramach pojęciowych wydawały się wzajemnie wykluczające.
Idee Prigogine'a, prowadzące do rewizji wielu fundamentalnych pojęć, podobnie jak wszystko, co w nauce fundamentalnie nowe, spotykają się z niejednoznacznym stosunkiem do siebie, przede wszystkim wśród fizyków. Z jednej strony rośnie liczba ich zwolenników, z drugiej zaś mówi się o niedostatecznej poprawności i trafności wniosków Prigogine'a z punktu widzenia ideału rozwiniętej teorii fizycznej. Same te idee bywają czasem nie do końca jednoznacznie interpretowane; w szczególności niektórzy autorzy podkreślają, że w procesie samoorganizacji entropia systemu może się zmniejszyć. Jeśli ten punkt widzenia jest słuszny, oznacza to, że w końcu udało się sformułować te niezwykle specyficzne warunki, o których K.E. Tsiołkowski, omawiając możliwość istnienia procesów antyentropowych w przyrodzie.
Ale idee rosyjskiego kosmizmu, w tym kosmiczna filozofia K.E. Ciołkowski, oddany tym problemom, znajduje bardziej bezpośredni rozwój w nauce post-klasycznej.
Na przykład N.N. Moiseev zauważa, że ​​w trakcie ewolucji Wszechświata dochodzi do ciągłej komplikacji organizacji poziomów strukturalnych przyrody, a proces ten jest wyraźnie ukierunkowany. Natura niejako zaopatrzyła się w pewien zestaw potencjalnie możliwych (to znaczy dopuszczalnych w ramach jej praw) typów organizacji, a wraz z rozwojem procesu zunifikowanego świata coraz więcej tych struktur jest „zaangażowanych” w to. Rozum i inteligentną działalność należy włączyć do ogólnej syntetycznej analizy procesów ewolucyjnych Wszechświata.
Rozwój idei samoorganizacji, w szczególności teoria struktur dyssypatywnych Prigogine'a, związana z rewizją podstaw pojęciowych termodynamiki, stymulowała dalsze badania tego poziomu wiedzy. Termodynamika statystyczna, rozwinięta jeszcze w fizyce klasycznej, zawiera w sobie szereg niezupełności i niejasności, indywidualnych dziwactw i paradoksów – mimo że z faktami wydaje się, że jest „w porządku”. Ale według badań F.A. Tsitsin, nawet w tak ustalonej i wyraźnie sprawdzonej w czasie sferze badań naukowych, jest wiele niespodzianek.
Porównanie charakterystycznych parametrów fluktuacji, wprowadzone przez L. Boltzmanna i M. Smoluchowskiego, dowodzi zasadniczej niekompletności „ogólnie przyjętej” statystycznej interpretacji termodynamiki. Co dziwne, ta teoria jest zbudowana z pominięciem fluktuacji! Wynika z tego, że należy go dopracować, tj. konstrukcja teorii „następnego przybliżenia”.
Bardziej konsekwentna tolerancja na efekty fluktuacji zmusza nas do uznania koncepcji równowagi „statystycznej” i „termodynamicznej” za fizycznie nieidentyczne. Okazuje się ponadto, że wniosek jest słuszny, co jest całkowicie sprzeczne z „ogólnie przyjętym”: nie ma funkcjonalnego związku między wzrostem entropii a tendencją układu do bardziej prawdopodobnego stanu. Nie są również wykluczone procesy, w których przejściu układów do bardziej prawdopodobnego stanu może towarzyszyć spadek entropii! Uwzględnienie fluktuacji w problemach termodynamiki Wszechświata może tym samym doprowadzić do odkrycia fizycznych granic zasady rosnącej entropii. Ale F.A. Tsitsin nie ogranicza swoich wniosków do podstaw nauki klasycznej i nieklasycznej. Sugeruje, że zasada zwiększania entropii nie ma zastosowania do niektórych typów zasadniczo nieliniowych układów. Nie wyklucza się zauważalnego „koncentracji fluktuacji” w biostrukturach. Możliwe jest nawet, że takie efekty od dawna są odnotowywane w biofizyce, ale nie są one rozpoznawane ani interpretowane błędnie, właśnie dlatego, że uważa się je za „zasadniczo niemożliwe”. Podobne zjawiska mogą być znane innym cywilizacjom kosmicznym i mogą być przez nie skutecznie wykorzystywane, w szczególności w procesach ekspansji kosmosu.
Wniosek
Możemy więc zauważyć, że w nauce post-klasycznej sformułowano zasadniczo nowe podejścia do analizy zasady Clausiusa i eliminacji paradoksu termodynamicznego w kosmologii. Najistotniejsze są perspektywy, jakich można się spodziewać po kosmologicznej ekstrapolacji teorii samoorganizacji, opracowanej na gruncie idei rosyjskiego kosmizmu.
Nieodwracalne procesy w ostro nierównowagowych układach nieliniowych pozwalają najwyraźniej uniknąć termicznej śmierci Wszechświata, ponieważ okazuje się, że jest to układ otwarty. Poszukiwanie teoretycznych schematów procesów „antyentropowych”, wprost przewidywanych naukowym obrazem świata, opartych na kosmicznej filozofii K.E. Ciołkowski; jednak takie podejście podziela tylko kilku przyrodników. Poprzez całą nowość post-nieklasycznych podejść do analizy problemów termodynamiki Wszechświata jednak te same „tematyki”, które ukształtowały się w drugiej połowie XIX wieku i zostały wygenerowane przez paradoks Clausiusa i dyskusje wokół niego „prześwieć”.
Widzimy w ten sposób, że zasada Clausiusa jest wciąż prawie niewyczerpanym źródłem nowych idei w kompleksie nauk fizycznych. Niemniej jednak pomimo pojawiania się coraz to nowych modeli i schematów, w których śmierć cieplna jest nieobecna, nie osiągnięto jeszcze „ostatecznego” rozwiązania paradoksu termodynamicznego. Wszelkie próby przecięcia „węzła gordowskiego” problemów związanych z zasadą Clausiusa prowadziły niezmiennie do wniosków jedynie częściowych, bynajmniej nie ścisłych i nie ostatecznych, z reguły raczej abstrakcyjnych. Zawarte w nich niejasności rodziły nowe problemy i jak dotąd nie ma nadziei na osiągnięcie sukcesu w dającej się przewidzieć przyszłości.
Generalnie jest to dość powszechny mechanizm rozwoju wiedzy naukowej, zwłaszcza że jest to jeden z najbardziej fundamentalnych problemów. Ale w żadnym wypadku nie każda zasada nauki, a także nie każdy fragment NCM, jest tak heurystyczna jak zasada Clausiusa. Istnieje kilka przyczyn, które wyjaśniają z jednej strony heurystyczną naturę tej zasady, która wciąż nie wywołuje u dogmatów nic poza irytacją – nieważne, czy przyrodnicy, czy filozofowie, z drugiej – porażka jej krytyków .
Pierwszym jest złożoność wszelkich „gier z nieskończonością”, które sprzeciwiają się tej zasadzie, niezależnie od ich koncepcyjnych podstaw.
Drugim powodem jest użycie nieodpowiedniego znaczenia terminu „wszechświat jako całość” – nadal powszechnie rozumianego jako „wszystko, co istnieje” lub „całość wszystkich rzeczy”. Niejasność tego terminu, która w pełni odpowiada niejasności użycia niewyrażonych znaczeń nieskończoności, stoi w ostrym kontraście z klarownością sformułowania samej zasady Clausiusa. Pojęcie „wszechświata” w tej zasadzie nie jest skonkretyzowane, ale właśnie z tego powodu można rozpatrywać problem jego stosowalności do różnych wszechświatów konstruowanych za pomocą fizyki teoretycznej i interpretowanych jako „wszystko, co istnieje” tylko z punkt widzenia tej teorii (model).
I wreszcie trzeci powód: zarówno sama zasada Clausiusa, jak i wysuwane na jej podstawie próby rozwiązania paradoksu termodynamicznego antycypowały jedną z cech nauki postnieklasycznej – włączenie do ideałów i norm wyjaśniania także czynników humanistycznych. jako dowód wiedzy. Emocjonalność, z jaką krytykowano zasadę Clausiusa od ponad stu lat, przedstawiała różne jej alternatywy, analizowała możliwe schematy procesów antyentropicznych, ma być może niewiele precedensów w historii nauk przyrodniczych, zarówno klasycznych, jak i nieklasycznych. . Zasada Clausiusa wyraźnie odwołuje się do nauki post-nieklasycznej, która obejmuje „wymiar ludzki”. Oczywiście w przeszłości ta cecha rozważanej wiedzy nie mogła być jeszcze w pełni urzeczywistniona. Ale teraz, z perspektywy czasu, w tych starych dyskusjach znajdujemy kilka „embrionów” ideałów i norm post-nieklasycznej nauki.
Literatura
1. Koncepcje współczesnych nauk przyrodniczych / Ed. prof. SA Samygin, wyd. - Rostov n / a: „Phoenix”, 1999. - 580 s.
2. Danilets A.V. Nauka przyrodnicza dzisiaj i jutro - Petersburg: Biblioteka Ludowa 1993
3. Dubnischeva T.Ya .. Koncepcje współczesnej nauki przyrodniczej. Nowosybirsk: Wydawnictwo YUKEA, 1997 .-- 340 s.
4. Prigogine I. Od istnienia do powstania. Moskwa: Nauka, 1985 .-- 420 s.
5. Remizov A.N. Fizyka medyczna i biologiczna. - M .: Szkoła Wyższa, 1999 .-- 280 s.
6.Stanyukovich K.P. W kwestii termodynamiki Wszechświata // Tamże. S. 219-225.
7.Suorts C.E. Niezwykła fizyka zjawisk zwykłych. Tom 1. - Moskwa: Nauka, 1986 .-- 520 s.
8. O ludzkim czasie. - „Wiedza-Władza”, nr 2000, s.10-16
9. Tsitsin F.A. Pojęcie prawdopodobieństwa i termodynamiki Wszechświata // Filozoficzne problemy astronomii XX wieku. M., 1976.S. 456-478.
10. Tsitsin F.A. Termodynamika, Wszechświat i Fluktuacje // Wszechświat, Astronomia, Filozofia. M., 1988. S. 142-156
11. Tsitsin F.A. [O termodynamice hierarchicznego wszechświata] // Materiały VI konferencji na temat kosmogonii (5-7 czerwca 1957). M., 1959. S. 225-227.

Każdą część cyklu Carnota i cały cykl jako całość można przebyć w obu kierunkach. Obejście zgodne z ruchem wskazówek zegara odpowiada silnikowi cieplnemu, w którym ciepło odbierane przez płyn roboczy jest częściowo przekształcane w pracę użyteczną. Dopasowania w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara maszyna chłodnicza gdy część ciepła jest pobierana z zimnego zasobnika i przekazywana do gorącego zasobnika wykonując pracę zewnętrzną... Dlatego idealne urządzenie działające zgodnie z cyklem Carnota nazywa się odwracalny silnik cieplny. W prawdziwych maszynach chłodniczych stosuje się różne procesy cykliczne. Wszystkie cykle chłodnicze na schemacie (p, V) są przesuwane w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Schemat energetyczny maszyny chłodniczej pokazano na ryc. 3.11.5.

Urządzenie cyklu chłodniczego może służyć dwóm celom. Jeżeli użytecznym efektem jest pozyskanie pewnej ilości ciepła |Q2 | z chłodzonych korpusów (na przykład z produktów w komorze lodówki), wówczas takim urządzeniem jest konwencjonalna lodówka. Wydajność lodówki można scharakteryzować stosunkiem

Jeżeli korzystnym efektem jest przekazanie określonej ilości ciepła |Q1 | ogrzane ciała (na przykład powietrze w pomieszczeniu), wtedy nazywa się takie urządzenie Pompa ciepła... Sprawność βТ pompy ciepła można określić jako współczynnik

dlatego βТ jest zawsze większe niż jeden. Dla odwrotnego cyklu Karnota

Śmierć termiczna wszechświata jest hipotetyczna. stan świata, do którego miałby prowadzić jego rozwój w wyniku przemiany wszystkich rodzajów energii w ciepło i równomiernego rozmieszczenia tego ostatniego w przestrzeni; w tym przypadku wszechświat powinien dojść do stanu jednorodnej izotermy. równowaga charakteryzująca się max. entropia. T. s. v. jest sformułowana na podstawie absolutyzacji drugiej zasady termodynamiki, zgodnie z którą entropia w układzie zamkniętym może tylko wzrastać. Tymczasem druga zasada termodynamiki, choć ma bardzo dużą sferę działania, ma istoty. ograniczenia.

Należą do nich w szczególności liczne procesy fluktuacyjne - ruch Browna cząstek, pojawienie się jąder nowej fazy podczas przejścia materii z jednej fazy do drugiej, spontaniczne wahania temperatury i ciśnienia w układzie równowagi itp. Nawet w pracach L. Boltzmanna i J. Gibbsa ustalono, że druga zasada termodynamiki ma charakter statystyczny. natura i kierunek wyznaczonych przez nią procesów jest właściwie tylko najbardziej prawdopodobny, ale nie jedyny możliwy. W ogólnej teorii względności wynika to z obecności grawitacji. pola w gigantycznym kosmosie. termodynamiczny. ich entropia może cały czas wzrastać bez osiągania przez nie stanu równowagi z max. wartość entropii, ponieważ taki stan w tym przypadku w ogóle nie istnieje. Niemożliwość istnienia K.-L. Stan równowagi absolutnej Wszechświata wiąże się również z tym, że zawiera elementy strukturalne o coraz większym stopniu złożoności. Dlatego założenie T. s. v. nie do obrony. ...

„Śmierć termiczna” Wszechświata, błędny wniosek, że wszystkie rodzaje energii we Wszechświecie powinny w końcu zamienić się w energię ruchu termicznego, która będzie równomiernie rozłożona na materię Wszechświata, po czym ustaną w niej wszystkie procesy makroskopowe .

Wniosek ten sformułował R. Clausius (1865) na podstawie drugiej zasady termodynamiki. Zgodnie z drugim prawem każdy układ fizyczny, który nie wymienia energii z innymi układami (dla Wszechświata jako całości taka wymiana jest oczywiście wykluczona) dąży do najbardziej prawdopodobnego stanu równowagi – do tzw. stanu o maksymalnej entropii . Taki stan odpowiadałby „T. z." P. Jeszcze przed powstaniem nowoczesnej kosmologii podejmowano liczne próby obalenia wniosku o „T. z." B. Najbardziej znaną z nich jest hipoteza o fluktuacjach L. Boltzmanna (1872), zgodnie z którą Wszechświat wiecznie znajdował się w stanie izotermicznym równowagi, ale zgodnie z prawem przypadku odchylenia od tego stanu występują niekiedy w jednym miejscu lub inny; występują rzadziej, im większy obszar zajmują i tym większy stopień odchylenia. Współczesna kosmologia ustaliła, że ​​nie tylko wniosek o „T. z." V., ale wczesne próby obalenia również są błędne. Wynika to z faktu, że nie wzięto pod uwagę istotnych czynników fizycznych, a przede wszystkim grawitacji. Biorąc pod uwagę grawitację, równomierny izotermiczny rozkład materii wcale nie jest najbardziej prawdopodobny i nie odpowiada maksymalnej entropii. Obserwacje pokazują, że Wszechświat jest mocno niestacjonarny. Rozszerza się, a substancja, która na początku ekspansji jest prawie jednorodna, następnie rozpada się na poszczególne obiekty pod działaniem sił grawitacyjnych, tworząc gromady galaktyk, galaktyk, gwiazd, planet. Wszystkie te procesy są naturalne, zachodzą ze wzrostem entropii i nie wymagają naruszenia praw termodynamiki. Nawet w przyszłości, biorąc pod uwagę grawitację, nie doprowadzą one do jednorodnego stanu izotermicznego Wszechświata - do „T. z." C. Wszechświat jest zawsze niestatyczny i stale ewoluuje. ...

„Słońce pociemnieje jak wór, a księżyc nie da swego światła… Zadrżą siły nieba i wszystkie żywioły przeminą…” Te słowa zostały wypowiedziane około dwa tysiące lat temu, w obrazy artystyczne opisujący, jak nastąpią czasy ostateczne lub śmierć cieplna wszechświata. Ale minęło osiemnaście stuleci, zanim naukowcy podeszli do badania tego problemu z naukowego punktu widzenia. W rzeczywistości, gdy tylko ludzkość odkryła główne, to pytanie prędzej czy później musiało się pojawić. Logicznie rzecz biorąc, jeśli jakakolwiek naturalna zasada działa w systemie zamkniętym, dlaczego nie założyć, że ta sama tendencja działa w całym wszechświecie?

Po raz pierwszy hipotezę śmierci cieplnej Wszechświata przedstawił William Thompson w 1852 r., ale później, w 1865 r., bardziej szczegółowo ją sformułował R. Clausius. Ekstrapolował w przestrzeń Zgodnie z tą zasadą, każdy układ zamknięty dąży do równowagi, gdy energia promieniowania zamienia się w ciepło. „Śmierć” następuje, gdy osiągnięty zostanie maksymalny poziom entropii. W tym momencie nie dochodzi do wymiany energii, ponieważ wszystko zamienia się w ciepło. A ponieważ nie ma powodu, by zakładać, że poza kosmosem jest coś jeszcze, to konkluduje Clausius, nasz Wszechświat też można uznać za układ zamknięty i działa w nim to samo prawo.

Oczywiście ani Thompson, ani Clausius nie zakładali nawet, że termiczna śmierć Wszechświata nastąpi wkrótce, ale przewidywania nawet bardzo odległego końca świata narobiły wiele szumu w środowisku naukowym i dały początek różnym obaleniom tej hipotezy. W 1872 roku naukowiec L. Boltzmann przedstawił teorię fluktuacji. Według niej nasz Wszechświat jest zbyt rozległy i złożony, by umrzeć tak prostą śmiercią. Zawsze znajdowała się i pozostanie w stanie równowagi izotermicznej, jednak w różnych jej częściach odchylenia od tego stanu stale występują i zawsze będą występować. Oznacza to, że takie rozbłyski, emisje energii nie pozwolą na uruchomienie mechanizmu przekształcania całej energii wszechświata w energię cieplną.

Współczesna nauka ani nie potwierdziła, ani nie obaliła hipotezy, że termiczna śmierć Wszechświata nieuchronnie nastąpi. Koncepcja Wielkiego Wybuchu, który rzekomo miał miejsce około 14 miliardów lat temu i zrodził wszystko, nie dowodzi jeszcze, że tylko działanie zmiennej działa w przestrzeni. Specjalna uwaga zasługuje na teorię A. Friedmana: Wszechświat wypełniony grawitującą materią nie jest nieruchomy, albo rozszerza się, albo kurczy. A jeśli tak, to stale rosnąca entropia nie prowadzi systemu jako całości do:

Śmierć termiczna Wszechświata może być również kwestionowana z punktu widzenia ogólnej teorii względności. Nadal zbyt mało wiemy o naszym świecie, aby z absolutną pewnością ocenić, czy nasz świat jest zamknięty i czy poza nim istnieje coś innego. Może działają na niego inne zewnętrzne siły i systemy? Znane nam prawa fizyki nie muszą mieć zastosowania w skali bezkresnej przestrzeni, twierdzą obrońcy wieczności promieniowania we Wszechświecie. Gwiazdy zapalają się i gasną, ale sam układ jest w równowadze, co jednak nie prowadzi do śmierci termicznej wszystkiego.

Pomimo tego, że koncepcja możliwej śmierci Wszechświata nie jest ani potwierdzana, ani obalana przez współczesną naukę, to pytanie zaczęło niepokoić nie tylko „fizyków”, ale także „lirykistów”. Szczególnie pisarze science fiction czerpią inspirację z możliwej śmierci wszystkich żywych istot. Tak więc Isaac Asimov przewidział dosłownie mrożący krew w żyłach koniec życia w swojej opowieści „Ostatnie pytanie”. Śmierć cieplna wszystkich substancji organicznych stanowiła podstawę fabuły wielu japońskich kreskówek i seriali anime.